Курсовая работа: Химические реакторы

Макрокинетика (скорость процесса)

= = (25а)

== (25б)

где Т_О = v/V - среднее время пребывания реакционной массы в реакторе, с; - основной характеристический параметр продолжительности непрерывных процессов.

MC_р*+ M_AC_A = G_A H - G_SH*_S - V {ДН_R W_R - ДН_m W_m} -

- КF Д- К_ПF_П(Т-) + N_Ж (25в)

Где H_S * = m_XIH_IN - удельная энтальпия отводимого продукта S, Дж/кг;

Т.о. выражения дифференциального теплового баланса непрерывного и периодического процессов идентичны.

В РИС-Н после пуска существует довольно непродолжительный период стабилизации режима

Т_СТАБ 7Т_О (26)

По истечении этого периода устанавливается стационарный режим

===0 (27)

Для стационарного режима справедливы основные соотношения

Концентрации

С_A = С_A0 - W_R Т_О (28а)

С_В = С_В0 - W_R Т_О (28б)

Температура может быть найдена из условия

G_SH*_S = G_A H- V {ДН_R | W_R | - ДН_m | W_m | } - КF Д- К_ПF_П(Т-) +

+ N_Ж (28в)

РИС-Н являются аппаратами с т.н. ступенчатым или дискретным контактом.

Выражения (28а) - (28в) иллюстрируют сказанное выше о скачкообразном характере изменения параметров в РИС-Н. Т.о., РИС-Н характеризуются наименьшими из всех типов реакторов концентрациями реагентов - соответственно - наименьшей движущей силой процесса.

С одной стороны, это недостаток - поскольку для достижения одинаковой степени превращения требуется максимальное время пребывания Т_О - и соответственно - наиболее громоздкий аппарат (при прочих равных условиях).

С другой стороны, это достоинство. В случае реакций с большим тепловым эффектом снижение скорости процесса уменьшает тепловые нагрузки и облегчает стабилизацию безопасных и оптимальных температурных режимов. Кроме того, если порядок целевой реакции ниже порядка побочных реакций - снижение концентраций приводит к росту выхода целевого продукта.

Трубчатые реакторы

Трубчатые реакторы, в отличие от РИС-Н, являются аппаратами с т.н. непрерывным контактом. В них имеет место радиальный и осевой (обратный) конвективный и турбулентный перенос массы и импульса - т.н. обратная диффузия. При этом, конечно, основное направление переноса - соответствует координате процесса. В соответствии с этой особенностью физико-химии и гидродинамики процесса к трубчатым реакторам применяется в основном т.н. модель диффузионного реактора вытеснения - ДРВ-Н.

Обычно решения модели приводят (так же, как для РИС-Н) для стационарного режима. Путём критериальных преобразований (осреднения параметров процесса) получают следующие выражения.

Макрокинетика

- + W_R Т_О = 0 (29а)

Температура

- + Da_III + = 0 (29б)

7. Материальный и тепловой балансы ХТП

Представленные выше модели процессов позволяют расчётным путём находить очень многие важные закономерности протекания ХТП: определять допустимые температурные режимы; рассчитывать реальную продолжительность процедур загрузки реагентов и выдержек; находить параметры и расход энергоносителей; вычислять выходы целевых и побочных продуктов; находить оптимальные режимы.

Однако очевидно, что такие расчёты весьма сложны. Кроме того - что гораздо важнее - их корректная реализация требует выполнения большого объёма экспериментальных исследований; поскольку без соответствующих данных о свойствах веществ; о механизмах, кинетике и термодинамике процессов (и многих других) любые расчёты будут недостоверны. Наконец, очень многие задачи проектирования можно решить более простыми методами. Главнейший из таких методов - метод материального и теплового балансов.

Материальный баланс выражает закон сохранения массы и закон сохранения количества вещества применительно к ХТП. Тепловой баланс соответственно - закон сохранения энергии. Оба баланса теснейшим образом связаны с динамикой процесса, поскольку, выражаясь языком теоретической физики - являются интегралами ХТП.

Для объективности и полноты анализа рассмотрим наиболее сложный процесс: РИС-ППН.

Произведём некоторые преобразования уравнений (24а)-(24з).

1. Перейдём от концентраций к количеству вещества:

VdC = dN. (30а)

2. Для продуктов реакции справедливо:

W_RI d = d_I (30б)

где _I - выход продукта I.

3. Наконец, для исходных реагентов справедливо:

_I^-1 W_RI d = _I^-1 d_I = dX_А (30в)

где _I - стехиометрический коэффициент для реакции образования продукта I из главного субстрата А;

X_А - степень превращения А.

Подстановкой условий (25а)-(25в) модифицируем уравнения (24а), (24е), (24ж), (24з).

dM_I = dM + dM_s (31а)

dN_A= dN_B = N₀(1-dX) =- _I^-1 d_I (31б)

MС_рdT + M_AС_АdT_А = HdM_I - H*_S dM_S - ДН_{R I}^-1 d_I - ДН_m | W_m -

- КF Дd - К_ПF_П(Т-)d + N_Жd (31в)

Систему уравнений (26а)- (26в) можно проинтегрировать с получением следующих соотношений баланса.

1. Масса веществ

M_I = M + M_s (32а)

2. Количество вещества

Исходные реагенты

Главный субстрат - А

N_A = N_A0(1-X) (32б)

Где N_A0 - исходное (загруженное) количество субстрата А, кмоль.

Второй субстрат - В

N_В = N_В0 - N_A0 X (32в)

Где N_В0 - исходное (загруженное) количество субстрата В, кмоль.

Продукты реакции

Количество любого полученного продукта I, кмоль, даётся выражением

N_I = N_I0 + N_{A0 I}^-1_IХ (32г)

_IХ - химический выход продукта I.

Где N_I0 - исходное (загруженное) количество продукта I, кмоль;

Соответственно, масса любого полученного продукта, кг, I даётся выражением

M_I = M_mI N_I (32д)

Где M_mI - молярная масса продукта I, кг/кмоль.

3. Тепловой баланс ХТП

Тепловой баланс удобно привести к виду

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₉ = Q₅ + Q₆+ Q₇+ Q₈ (33)

При этом

- теплота, внесённая с исходными реагентами, Дж;

Q₁ = M_IЗ H_IЗ* = N_IЗ H_З (28б)

Где H_IЗ, H_IЗ* - соответственно, молярная и удельная энтальпия загруженных веществ.

- теплота, подведённая в теплообменном устройстве, Дж

Q₂ = -КF Дd - КF Д (28в)

- суммарная теплота химических реакций, Дж;

Q₃ = (-N_A0) _I^-1_IХ ДН_RI (28г)

где ДН_RI - тепловой эффект реакции I, Дж/кмоль

- суммарная теплота массообменных процессов, Дж;

Q₄ = (-N_A0) _I^-1_Im ДН_Rm (28д)

где ДН_{Rm Im} - тепловой эффект массообменного процесса I, Дж/кмоль;

_Im- выход массообменного процесса I на главный исходный субстрат А.

- теплота, накопленная в нагретом/охлаждённом корпусе реактора, Дж

Q₅ = M_AС_А (t_АК - t_А0) (28е)

где M_A - масса корпуса аппарата, кг;

t_АК, t_А0 - конечная и начальная средняя температура корпуса, ^ОС;

- теплота, накопленная продуктами в реакторе, Дж;

Q₆ = M_I H_I* = N_I H_I (28ж)

Где H_I, H_I* - соответственно, молярная и удельная энтальпия накопленных веществ, Дж/кмоль.

- теплота продуктов, отведённых из реактора, Дж;

Q₇ = M_S H_S* = N_S H_S (28з)

Где H_IЗ, H_IЗ* - соответственно, молярная и удельная энтальпия отведённых веществ, Дж/кмоль.

- теплота, потерянная в окружающую среду, Дж

Q₈ = К_ПF_П(Т-)d К_ПF_П(Т_СР -) (28и)

где Т_СР - средняя температура в аппарате

- теплота, выделенная в среду работающей мешалкой

Q₉ = N_ЖСР (28к)

где N_ЖСР - средняя мощность, диссипируемая мешалкой в среде, Вт.

Энтальпии веществ (молярные или удельные) выражают по термохимической шкале относительно стандартной (опорной) температуры Т = 298,15 К (25,00^ОС).

Таблица 3

Выражение энтальпии веществ